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Technisches Gebiet
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Diese Patentoffenbarung bezieht sich allgemein auf Getriebesysteme zum Antrieb und insbesondere auf ein Verfahren und ein System zum Kalibrieren eines Drehmomentes, welches durch ein solches Getriebe geliefert wird.
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Hintergrund
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Im Zusammenhang mit Maschinen, die zur Ausführung von Aufgaben und zur Handhabung von Materialien und Objekten verwendet werden, ist es manchmal wünschenswert, das Drehmoment der Maschine zu steuern, und zwar im Gegensatz zur einfachen Steuerung der Geschwindigkeit oder Position der Maschine oder eines Teils davon. Es ist jedoch traditionell schwierig, ein Drehmoment genau zu steuern, und zwar aufgrund eines Mangels an adäquater Kalibrierung des Leistungs- bzw. Antriebsstrangs der Maschine. Beispielsweise hat ein kontinuierlich variables Getriebe bzw. stufenloses Getriebe viele statische und dynamische Eigenschaften und Parameter eines hydrostatischen Variatorgetriebes, welche die Ausgabecharakteristiken für jegliche gegebene Eingangsgröße beeinflussen können. Insbesondere schließt die Veränderlichkeit von Komponenten eines hydrostatischen Variatorgetriebes, wie beispielsweise Ventile und Komponenten einer Hydraulikpumpe und eines Hydraulikmotors, traditionell eine genaue Drehmomentsteuerung im Getriebe aus. Während eine Drehmomentsteuerung (open loop) mit einer Regelungsschleife (closed loop) verwendet werden kann, sind diese Techniken alleine nicht ausreichend, um die Notwendigkeit für eine effiziente und genaue Drehmomentkalibrierung zu erfüllen.
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Es sei bemerkt, dass diese Beschreibung des Hintergrundes von den Erfindern vorgesehen wurde, um den Leser zu unterstützen und dass sie nicht als Bezugnahme auf den Stand der Technik gesehen werden sollte und auch nicht als eine Anzeige dafür, dass irgendeines der genannten Probleme selbst in der Technik schon berücksichtigt wurde. Während die hier beschriebenen Prinzipien in einigen Ausführungsbeispielen Probleme verringern können, die in anderen Systemen inhärent auftreten, wird der Umfang der geschützten Verbesserung durch die beigefügten Ansprüche definiert und nicht sonst durch die Fähigkeit, irgendein spezielles Problem zu lösen.
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Zusammenfassung
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Die beschriebenen Prinzipien gestatten es einer Steuervorrichtung, notwendige statische und dynamische Eigenschaften und Parameter zu erhalten, um eine genaue Drehmomentsteuerung eines kontinuierlich variablen Getriebes zu gestatten. In einem Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren zum Vorsehen eines Drehmomentsteuerbetriebs in einem Getriebe beschrieben, welches ein Variatorgetriebe mit variabler Verdrängung hat, und zwar mit einer hydraulischen Betätigungsvorrichtung zum Variieren der Verdrängung, und welches einen Ausgang und einen internen Kreislaufdruck hat. In diesem Verfahren wird das Getriebe in einen neutralen Zustand gebracht, so dass die Ausgangsgröße des Variatorgetriebes im Wesentlichen bei einem Drehmoment von Null liegt, und eine erste Hydraulikdruckbeaufschlagung bzw. -veränderung für die hydraulische Betätigungsvorrichtung wird angewiesen. Eine entsprechende Beaufschlagung bzw. Veränderung des Motordrehzahlverhältnisses des Variatorgetriebes wird aufgezeichnet. Das Getriebe wird in einen verriegelten Betriebszustand gebracht, welcher eine feste Ausgangsdrehzahl liefert und eine zweite Hydraulikdruckbeaufschlagung bzw. Hydraulikdruckveränderung für die hydraulische Betätigungsvorrichtung wird angewiesen. Eine entsprechende Beaufschlagung bzw. Veränderung des Ausgangsdrehmomentes des Variatorgetriebes wird während der Anwendung der zweiten Hydraulikdruckveränderung aufgezeichnet. Eine Karte bzw. ein Kennfeld wird zusammengestellt, welches das Motordrehmoment, das Motordrehzahlverhältnis und den Hydraulikdruck an die Betätigungsvorrichtung miteinander in Beziehung setzt, und zwar durch Skalieren der entsprechenden Veränderungs- und Motordrehzahlverhältnisse des Variatorgetriebes und der entsprechenden Veränderung des Ausgangsdrehmomentes des Variatorgetriebes.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist ein Verfahren zum Vorsehen eines Drehmomentsteuerbetriebs in einem ähnlichen Getriebe auf, eine erste Hydraulikdruckveränderung bzw. Beaufschlagung für die hydraulische Betätigungsvorrichtung anzuweisen, während ein Drehmoment von im Wesentlichen Null für die Ausgangsgröße des Variatorgetriebes festgelegt wird, und es weist weiter das Aufzeichnen einer entsprechenden Beaufschlagung bzw. Veränderung des Motordrehzahlverhältnisses des Variatorgetriebes und das Anweisen einer zweiten Hydraulikdruckveränderung für die hydraulische Betätigungsvorrichtung auf, während verhindert wird, dass die Ausgangsgröße des Variatorgetriebes von einer festen Ausgangsdrehzahl abweicht, und zwar ungeachtet des Kreislaufdruckes, und das Aufzeichnen eines entsprechenden Ausgangsdrehmomentes des Variatorgetriebes. Durch Skalieren der Veränderung der Motordrehzahlverhältnisse und der Veränderung des Ausgangsdrehmomentes des Variatorgetriebes wird ein Kennfeld zusammengestellt, welches das Motordrehmoment, das Motordrehzahlverhältnis und den Betätigungsvorrichtungsdruck in Beziehung setzt.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel sieht eine Steuervorrichtung einen Drehmomentsteuerbetrieb für ein Getriebe mit einem Variatorgetriebe mit variabler Verdrängung mit einer hydraulischen Betätigungsvorrichtung zum Variieren der Verdrängung vor, welches eine Pumpe und einen Motor mit einem Ausgang hat, wobei die Steuervorrichtung ein oder mehrere Eingänge aufweist, um Daten entsprechend der Motordrehzahl des Variatorgetriebes, entsprechend einem Kreislaufdruck des Variatorgetriebes und einer Pumpendrehzahl aufzunehmen und ein oder mehrere Ausgänge um Daten in einen Speicher zu schreiben. Ein Prozessor ist vorgesehen, um computerlesbare Anweisungen von einem nicht flüchtigen computerlesbaren Medium auszuführen, und ein vorgesehener Satz von computerlesbaren Anweisungen weist Anweisungen auf, um eine erste Hydraulikdruckveränderung für die hydraulische Betätigungsvorrichtung anzuweisen, während ein Drehmoment von im Wesentlichen Null für die Ausgabe des Variatorgetriebes festgelegt wird, während eine entsprechende Veränderung des Motordrehzahlverhältnisses des Variatorgetriebes aufgezeichnet wird, und um eine zweite Hydraulikdruckveränderung für die hydraulische Betätigungsvorrichtung anzuweisen, während verhindert wird, dass die Ausgangsgröße des Variators von einer festen Ausgangsdrehzahl abweicht, während eine entsprechende Veränderung des Ausgangsdrehmomentes des Variatorgetriebes aufgezeichnet wird. Die Anweisungen weisen weiter Anweisungen auf, um ein Kennfeld durch Skalieren der aufgezeichneten Daten auszufüllen bzw. zusammenzustellen, welches ein Motordrehmoment, ein Motordrehzahlverhältnis und einen Betätigungsvorrichtungsdruck miteinander in Beziehung setzt.
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Weitere und alternative Aspekte und Merkmale der offenbarten Prinzipien werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen deutlich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein schematisches Systemdiagramm eines Variatorgetriebes zum Vorsehen eines variablen Ausgangsdrehmomentes basierend auf einer angewendeten Steuerdruckdifferenz gemäß Ausführungsbeispielen der offenbarten Prinzipien;
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2 ist eine detaillierte schematische Zeichnung einer hydraulischen Betätigungsvorrichtung zum Steuern der Position einer Taumelscheibe mit variablem Winkel in einem Variatorgetriebe gemäß den Ausführungsbeispielen der offenbarten Prinzipien;
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3 ist eine vereinfachte logische schematische Darstellung von Steuerkomponenten und Datenflusskanälen zum Kalibrieren und Betreiben eines Variatorgetriebes, wie beispielsweise von jenem, das in 3 gezeigt ist, und welches in Übereinstimmung mit Ausführungsbeispielen der offenbarten Prinzipien ist.
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4 ist ein Flussdiagramm, welches einen Prozess zum Charakterisieren eines hydrostatischen Getriebes gemäß Ausführungsbeispielen der offenbarten Prinzipien veranschaulicht; und
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5 ist eine Abbildung, welche eine Aufzeichnung bzw. ein Kennfeld zeigt, welches Motordrehmoment, MSR bzw. Motordrehzahlverhältnis und Betätigungsvorrichtungsdeltadruck bzw. Betätigungsvorrichtungsdifferenzdruck in Beziehung setzt, wobei das Kennfeld gemäß den Ausführungsbeispielen der beschriebenen Prinzipien erzeugt wurde.
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Detaillierte Beschreibung
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Diese Offenbarung bezieht sich auf Maschinen, welche ein Getriebe benötigen, um eine Leistungsquelle mit dem letztendlich mit dem Boden in Eingriff stehenden Mechanismus zu verbinden, beispielsweise mit Rädern, Raupen usw. und/oder mit anderen angetriebenen Funktionen oder Werkzeugen. Beispiele von solchen Maschinen weisen Maschinen auf, die für den Bergbau, die Bauwirtschaft, Ackerbau, Transport oder irgendeinen anderen in der Technik bekannten Industriezweig verwendet werden. Beispielsweise kann die Maschine eine Erdbewegungsmaschine sein, wie beispielsweise ein Radlader, ein Bagger, ein Kipplastwagen, ein Baggerlader, ein Motorgrader bzw. Straßenhobel, eine Materialhandhabungsmaschine usw. Darüber hinaus können ein oder mehrere Werkzeuge mit der Maschine für eine Vielzahl von Aufgaben verbunden sein, beispielsweise für das Beladen, Verdichten, Heben, Fegen und es können beispielsweise Löffel, Verdichter bzw. Walzen, Gabelhubvorrichtungen, Besen, Greifvorrichtungen, Schneidvorrichtungen, Schervorrichtungen, Schilde, Brecher/Hämmer, Schnecken bzw. Bohrer und andere Werkzeuge sein. In einer beispielhaften Ausführungsform wird das System auf ein kontinuierlich variables Getriebe (CVT = continuous variable transmission) angewendet, wie es beispielsweise in Maschinenanwendungen eines Radladers oder eines Motorgraders bzw. Straßenhobels verwendet wird.
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In einer Übersicht wird ein hydrostatisches Getriebe mit einer Pumpe mit variabler Verdrängung und einem Motor mit fester Verdrängung oder variabler Verdrängung in Kombination mit mechanischen Getriebestufen in einem Getriebe verwendet, welches von einem Antriebsmotor angetrieben wird, der mit im Wesentlichen konstanter Drehzahl betrieben wird. Das hydrostatische Getriebe hat einen Systemdruck (Kreislaufdruck) und einen Gang (oder Modus), die das Getriebeausgangsdrehmoment bestimmen. Somit wird das Antriebsstrangdrehmoment gesteuert, indem der Druck im hydrostatischen Getriebe gesteuert wird. In einem Ausführungsbeispiel ist die Steuerung eine Kombination einer Steuerung (open loop) und einer Regelung (closed loop) im Gegensatz zu einer reinen Regelung (closed loop), welche, nach Erfahrungen der Erfinder, nicht in jedem Fall eine geeignete Ansprechzeit liefern kann.
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Innerhalb des hydrostatischen Getriebes wird eine Drehmomentsteuerung erreicht, indem der Taumelscheibenwinkel einer Pumpe mit variabler Verdrängung gesteuert wird. Der Taumelscheibenwinkel wird wiederum durch eine Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung gesteuert. Um eine Steuerung (open loop) in genauer und effizienter Weise innerhalb dieses Systems vorzusehen, werden ein Vorspannfederdruck in der Betätigungsvorrichtung und die Beziehung zwischen der Betätigungsvorrichtungsposition und dem Systemdruck bestimmt.
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In einem Ausführungsbeispiel bestimmt die Maschinen- oder Getriebesteuervorrichtung insbesondere den erforderlichen Differenzdruck, der auf die Betätigungsvorrichtung aufgebracht werden muss, um ein erwünschtes Ausgangsdrehmoment zu erreichen, und zwar indem drei Kräfte in Echtzeit bewertet werden, die auf die Variatorbetätigungsvorrichtung wirken. Diese weisen eine Betätigungsvorrichtungszentrierfederkraft, die Trägheit der Kolben innerhalb der Hydraulikpumpe des Variatorgetriebes, die auf die Taumelscheibe wirken, die von der Betätigungsvorrichtung gesteuert wird und den Kreislaufdruck innerhalb des Variatorgetriebes auf.
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In einem Ausführungsbeispiel werden diese Kräfte durch Ausführen von zwei Veränderungen an der Betätigungsvorrichtung bewertet und dargestellt. Eine erste Veränderung, die Null-Drehmomentlinie genannt wird, wird durch Verändern des Betätigungsvorrichtungsdeltadruckes bzw. Betätigungsvorrichtungsdifferenzdruckes ausgeführt, wenn das Getriebe in einem Neutral-Zustand ist. In diesem Zustand gibt es im Wesentlichen keinen Widerstand gegen die Ausgangsgröße des Variatorgetriebes, und die Reaktion des Variatorgetriebes ist nur durch die interne Trägheit beschränkt. Eine zweite Veränderung wird verwendet, um eine Null-Drehzahllinie zu erzeugen. Die Null-Drehzahllinie wird erhalten, indem die Betätigungsvorrichtung verändert bzw. mit Druck beaufschlagt wird wenn das Getriebe in einem mechanisch verriegelten Zustand ist. In einem Ausführungsbeispiel wird die Null-Drehzahllinie erzeugt, wenn die Ausgangsgröße des Getriebes in einem Zustand mit konstanter Drehzahl bei einer Drehzahl ungleich null ist.
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Mit diesen Veränderungen wird die Genauigkeit der Ausgangsdrehmomentbeziehung des Getriebes charakterisiert bzw. dargestellt, um eine Feed-Forward-Steuerung bzw. Vorsteuerung zu ermöglichen. In einem Ausführungsbeispiel werden die Veränderungsdaten in Verbindung mit Konstruktionsinformationen zum Variatorgetriebe verwendet, um Kräfte zu berechnen und zu schätzen, die auf die Variatorbetätigungsvorrichtung wirken. Somit kann beispielsweise ein Variator mit einer hohen inneren Trägheit einen höheren Differenzdruck benötigen, um den gleichen Taumelscheibenwinkel zu erreichen wie ein Variatorgetriebe mit einer niedrigen inneren Trägheit.
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Mit Bezug auf die Details der Konstruktion des Variatorgetriebes in einem Ausführungsbeispiel ist 1 eine detaillierte schematische Zeichnung eines Variatorgetriebes 100 zum Vorsehen eines variablen Ausgangsdrehmomentes basierend auf einer angelegten Steuerdruckdifferenz. Das variable Getriebe 100 weist eine Pumpe 101 und einen Motor 102 auf. Die Pumpe 101 weist eine Pumpentaumelscheibe 103 mit variablem Winkel auf, die durch eine Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung 104 eingestellt wird. Eine Anzahl von Pumpenkolben 105 in jeweiligen Kammern laufen auf der Pumpentaumelscheibe 103 über Gleitkontakte, so dass der Bewegungsbereich der Pumpenkolben 105 durch den Winkel der Pumpentaumelscheibe 103 eingestellt wird. Die Kammern für die Pumpenkolben 105 sind in einem Pumpenträger 108 ausgeformt, der über die Pumpeneingangswelle 109 gedreht wird.
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Der Motor 102 weist eine ähnliche Anordnung auf, welche eine Anzahl von Motorkolben 106 in jeweiligen Kammern aufweist. Die Motorkolben 106 des Motors 102 stehen gleitend mit einer festen Motortaumelscheibe 107 in Eingriff. Die Kammern der Pumpenkolben 105 der Pumpe 101 sind in Strömungsmittelverbindung mit den Kammern der Motorkolben 106 des Motors 102 über hydraulisches Strömungsmittel; welches die Kammern und (nicht gezeigte) dazwischen verlaufende Leitungen füllt. Die Kammern für die Motorkolben 106 sind in einem Motorträger 110 ausgeformt, der die Motorausgangswelle 111 dreht. Wenn der Winkel der Pumpentaumelscheibe 103 variiert wird, variiert die Menge des Strömungsmittels, die von den Pumpenkolben 105 der Pumpe 101 verdrängt wird (und somit das Strömungsmittelvolumen, welches von den Kammern der Motorkolben 106 aufgenommen oder empfangen wird).
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Wegen dieser Beziehungen variieren das Drehmoment und/oder die Ausgangsdrehzahl des Motors 102 mit dem Winkel der Pumpentaumelscheibe 103. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel wird die Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung 104, die in diesem Beispiel mit einem Differenzhydraulikdruck arbeitet über (in 1 nicht gezeigte) Elektromagnetventile angetrieben, beispielsweise eines für jedes von zwei Drucksteuerventilen, die elektronisch durch geeignete Eingangssignale von der Getriebesteuervorrichtung oder Ähnlichem gesteuert werden. Auf diese Weise kann eine Steuervorrichtung die Ausgangsdrehzahl des Variatorgetriebes 100 über das Anlegen von elektrischen Signalen an den Elektromagnetventilen steuern, die mit der Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung 104 assoziiert sind.
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2 ist eine detailliertere schematische Zeichnung der Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung 104 zum Steuern der Position der (in 2 nicht gezeigten) Taumelscheibe mit variablem Winkel in einem Variatorgetriebe 100, wie es in 1 gezeigt ist. Die Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung 104 weist eine Anzahl von miteinander in Beziehung stehenden Elementen auf, welche in erster Linie zwei gegenüberliegende Betätigungsvorrichtungskolben 200, 201 (oder entgegengesetzte Kammern eines einzelnen Kolbens) innerhalb jeweiliger Zylinder 202, 203 aufweisen. Die Betätigungsvorrichtungskolben 200, 201, arbeiten mit den Bohrungen ihrer jeweiligen Zylinder 202, 203 zusammen, um jeweilige Betätigungsvorrichtungskolbenkammern 204, 205 zu formen, um unter Druck gesetztes Hydraulikströmungsmittel zu halten.
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Die Betätigungsvorrichtungskolben 200, 201 werden durch eine Stange 206 verbunden, an der ein mittiger Schwenkstift 207 befestigt ist. Der mittige Schwenkstift 207 tritt mit einem Steuerschlitz 208 in einem Taumelscheibenarm 209 in Wechselwirkung, so dass die seitliche Position der Stange 206 die Position des Taumelscheibenarms 209 festlegt und daher den Winkel der Taumelscheibe selbst (nicht gezeigt). Die Stange 206 wird zu einer mittigen Position durch gegenüberliegende Federn 212 vorgespannt. Wenn die Stange 206 von dieser mittigen Position verschoben wird, gibt es eine Rückstellkraft, die von den Federn 212 ausgeübt wird, die proportional zur Verschiebung bzw. Verdrängung ist.
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Die seitliche Position der Stange 206 wird durch die Positionen der Betätigungsvorrichtungskolben 200, 201 innerhalb der Zylinder 202, 203 bestimmt. Die Positionen der Betätigungsvorrichtungskolben 200, 201 werden durch die Differenz des Hydraulikdrucks zwischen den Betätigungsvorrichtungskolbenkammern 204, 205 bestimmt. Jeweilige Betätigungsvorrichtungsdruckventile 210, 211 steuern unabhängig den Druck innerhalb der Betätigungsvorrichtungskolbenkammern 204, 205. In einem Beispiel sind die Betätigungsvorrichtungsdruckventile 210, 211 Elektromagnetventile, welche hydraulische Strömungsmittel mit einem Druck liefern, der von einem angelegten Strom innerhalb von Grenzen eingestellt wird, die von einem Versorgungsdruck eingestellt bzw. festgelegt werden. Somit hat in dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel jedes Betätigungsvorrichtungsdruckventil 210, 211 zumindest einen Stromeingang (als Eingänge A und C veranschaulicht) und einen Strömungsmitteleingang (als Eingänge B und D veranschaulicht). Typischerweise können die Elektromagnetventile Strömungsmittel mit irgendeinem Druck zwischen Null und dem Strömungsmitteldruck am Strömungsmitteleingang B, D liefern. Das Druckansprechen eines Elektromagnetventils, wie beispielsweise der Betätigungsvorrichtungsdruckventile 210, 211 auf eine Stromeingabe, ist eine Funktion von verschiedenen Komponenten und ihren Toleranzen.
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Weil die Distanz zwischen den Betätigungsvorrichtungskolben 200, 201 durch die Länge der Stange 206 festgelegt wird, ist es eher die Druckdifferenz zwischen den Betätigungsvorrichtungskolbenkammern 204, 205 als der absolute Druck innerhalb jeder Betätigungsvorrichtungskolbenkammer 204, 205, welche die Position der Stange 206 festlegt. Insbesondere, wenn die Stange 206 in einer derartigen Position ist, dass die Netto-Verschiebungskraftdifferenz zwischen den Betätigungsvorrichtungskolben 200, 201 gleich der Netto-Rückstellkraft ist, die von den Federn 212 ausgeübt wird, ist das System im Gleichgewicht.
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Mit Bezug auf 2 und 1 wird klar werden, dass das Drehmoment, welches am Ausgang 111 geliefert wird, mit der Druckdifferenz in Beziehung steht, die von den Betätigungsvorrichtungsdruckventilen 210, 211 aufgebracht wird. Insbesondere ist der Strömungsmitteldruck innerhalb des Hydraulikkreislaufes zwischen den Pumpenkolben 105 und den Motorkolben 106 in Beziehung mit dem Winkel der Pumpentaumelscheibe 103, und der Winkel der Pumpentaumelscheibe 103 ist in Beziehung mit der Druckdifferenz, die von den Betätigungsvorrichtungsdruckventilen 210, 211 aufgebracht wird. Somit ist es in drehmomentgesteuerten Anwendungen wünschenswert, genau Kombinationen von Elektromagnetströmen für die Betätigungsvorrichtungsdruckventile 210, 211 (oder eine angelegte Druckdifferenz in der Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung 104) mit erwarteten assoziierten Ausgangsdrehmomenten am Ausgang 111 in Beziehung zu setzen.
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Bevor das Kalibrierungsverfahren weiter genauer besprochen wird, werden die Steuerinfrastruktur und der Informationsfluss innerhalb des Systems besprochen. 3 ist eine vereinfachte Logikschemadarstellung 300 der Steuerkomponenten und des Datenflusses, der mit den mechanischen Komponenten der 1 und 2 assoziiert ist, um das Variatorgetriebe 100 effektiv zu kalibrieren und zu betreiben. Insbesondere ist eine Variatorsteuervorrichtung 301 vorgesehen, um den Betrieb des Variators 100 über die Betätigungsvorrichtungsdruckventile 210, 211 zu steuern. Die Variatorsteuervorrichtung 301 kann eine extra dafür vorgesehene Steuervorrichtung sein, sie wird jedoch typischerweise eher in einer Steuervorrichtung mit vorgesehen sein, die für die Steuerung eines größeren Systems verwendet wird, wie beispielsweise eines Getriebes, welches mit dem Variatorgetriebe 100 assoziiert ist.
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Die Steuervorrichtung 301 kann irgendeine geeignete Konstruktion aufweisen, jedoch weist sie in einem Beispiel ein Digitalprozessorsystem auf, welches eine Mikroprozessorschaltung aufweist, die Dateneingänge und Steuerausgänge hat, welche gemäß computerlesbaren Anweisungen arbeitet, die auf einem computerlesbaren Medium gespeichert sind. Typischerweise wird der Prozessor einen damit assoziierten dauerhaften (nicht flüchtigen) Speicher zum Speichern von Programmanweisungen haben, genauso wie einen Kurzzeitspeicher (flüchtigen Speicher) zum Speichern von Operanden und Ergebnissen während der Verarbeitung (oder die aus der Verarbeitung resultieren).
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Im Betrieb nimmt die Steuervorrichtung 301 eine Anzahl von Dateneingängen vom Variatorgetriebe 100 auf und liefert eine Anzahl von Steuerausgängen an das Variatorgetriebe 100. Um ein erwünschtes Drehmoment zu detektieren, nimmt die Steuervorrichtung 301 eine Dateneingabe von der Bedienerschnittstelle 302 auf, wie beispielsweise eine Einstellung eines Gaspedals oder eine Drehmomenteinstellung. Der Bediener kann ein Mensch sein oder es kann eine automatisierte Bedienung vorgesehen sein, und die Bedienerschnittstelle 302 kann entsprechend variieren. Wie oben erwähnt, arbeitet das Variatorgetriebe 100 in diskreten Betriebszuständen bzw. Modi, die automatisch eingestellt und/oder basierend auf der Eingabe eines Anwenders eingestellt werden können.
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Wie oben erwähnt, kann es jedoch eine beträchtliche Veränderung bezüglich der Eigenschaften und Charakteristiken eines gegebenen hydrostatischen Getriebes gegenüber den Zuständen geben, die erwartet werden, und zwar auf Grund von Unterschieden bei den Charakteristiken bzw. Eigenschaften der Elektromagnetventile und auf Grund von Variationen innerhalb des Getriebes, beispielsweise bei der Strömungsmittelzusammensetzung, Kolbentoleranzen usw. Eine weitere mögliche Quelle von Veränderungen liegt im Anschlussplattenzeitsteuersystem. Insbesondere ist oft die Anschlussplattenzeitsteuerung einstellbar, d. h. die Zeitsteuerung bzw. Einstellung, bei der unter Druck gesetztes Strömungsmittel zur Motorseite des Variatorgetriebes von der Pumpenseite des Variatorgetriebes geleitet wird. Während diese Zeitsteuerung kalibriert werden kann und eingestellt werden kann, kann es entweder eine Fehlkalibrierung oder eine Abweichung bzw. einen Drift geben, was zu Diskrepanzen bei dem Ansprechen des Variatorgetriebes führen kann.
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Irgendwelche dieser Quellen oder alle dieser Quellen von Abweichungen können einen abweichenden Betrieb des Variatorgetriebes zur Folge haben, wobei das Anwenden von Parametern, von denen man erwartet, dass sie ein gewisses Ausgangsdrehmoment ergeben, tatsächlich nicht das erwartete Drehmoment ergibt. Somit ist die Kalibrierung eines solchen Getriebes wichtig, um eine genaue Drehmomentsteuerung (open loop) zu ermöglichen.
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Zu diesem Zweck wird in einem Ausführungsbeispiel eine kalibrierte Beziehung von Betätigungsvorrichtungsdeltadruck zu Ausgangsdrehmoment als ein Kennfeld 303 gespeichert, welches von der Variatorsteuervorrichtung 301 anfänglich erzeugt und gespeichert wird und dann von der Variatorsteuervorrichtung 301 während des tatsächlichen Betriebs wieder aufgerufen wird. Das Kennfeld 303 kann drei oder mehr Dimensionen aufweisen. Beispielsweise kann das Kennfeld 303 einen Druckwert basierend auf einem erwünschten Drehmoment, einer erwünschten Motordrehzahl, einer erwünschten Pumpendrehzahl (und/oder einem Motordrehzahlverhältnis bzw. MSR (MSR = motor speed ratio)) usw. liefern.
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Um das Kennfeld 303 zu erzeugen, nimmt der Mapping-Prozessor bzw. der Kennfeld erzeugende Prozessor, der die Steuervorrichtung 301 oder sonst irgendetwas sein kann, eine erste Dateneingabe von Kreislaufdrucksensoren 304 oder anderen Drehmomentabfühlvorrichtungen oder Sensoren auf. Obwohl es möglich ist, einen einzelnen Drucksensor zu verwenden, ist es eher wünschenswert, mehrere Sensoren zu verwenden, um genauere Druckauslesungen zu erhalten.
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Die Kreislaufdrucksensoren 304 sind positioniert und geeignet, um den Hydraulikdruck innerhalb des internen Hydraulikkreislaufs des Variators 100 abzufühlen (d. h. zwischen den Pumpenkolben 105 und den Motorkolben 106) und Signale zu liefern, welche die abgefühlten Drücke widerspiegeln. In einem Ausführungsbeispiel sind die Schaltungsdrucksensoren 304 beispielsweise elektrische Druckwandler, die einen elektrischen Strom oder eine Spannung proportional zum abgefühlten Druck erzeugen. Es wird klar sein, dass irgendwelche anderen geeigneten Drucksensorbauarten alternativ oder zusätzlich eingesetzt werden können.
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Ein zweiter Dateneingang in die Steuervorrichtung 301 oder in einen anderen Kalibrierungsprozessor ist mit einem Pumpendrehzahlsensor 305 verbunden. Der Pumpendrehzahlsensor 305 ist positioniert und geeignet, um die Drehzahl der Variatoreingangswelle 111 zu detektieren und um ein Signal, welches mit der abgefühlten Eingangsdrehzahl in Beziehung steht, zu liefern. Ein Motordrehzahlsensor 306 ist mit einem dritten Dateneingang der Steuervorrichtung 301 oder eines anderen Kalibrierungsprozessors verbunden. Der Motordrehzahlsensor 306 ist positioniert und geeignet, um die Drehzahl der Variatorausgangswelle 111 zu detektieren und ein Signal zu liefern, welches mit der abgefühlten Ausgangsdrehzahl in Beziehung steht. Die Ausgangsdrehzahl kann mit der Eingangsdrehzahl verglichen werden, um das Motordrehzahlverhältnis (MSR) abzuleiten bzw. zu bestimmen. Es wird klar sein, dass die Pumpenverdrängung (beispielsweise vom Hub der Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung 104 abgeleitet) oder der Winkel der Pumpentaumelscheibe 103 (beispielsweise von einem Winkelsensor abgeleitet) als Eingangsgröße anstelle des Motordrehzahlverhältnisses verwendet werden kann.
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Basierend auf den verschiedenen verfügbaren Eingangsgrößen, wie sie oben erwähnt wurden, identifiziert die Steuervorrichtung 301 die geeigneten Steuerwerte in dem Kennfeld 303 und gibt entsprechende Steuersignale aus, so dass das Variatorgetriebe 100 ein Ausgangsdrehmoment liefert, welches eng dem erwünschten Ausgangsdrehmoment entspricht. Insbesondere liefert die Steuervorrichtung 301 in einem Ausführungsbeispiel zwei Elektromagnetsteuersignale 307, 308, um den Betrieb der Taumelscheibenbetätigungsvorrichtung 104 und somit den Betrieb des Variatorgetriebes 100 zu steuern. Die Elektromagnetsteuersignale 307, 308 weisen ein erstes Elektromagnetsteuersignale 307 auf, um ein erstes der Betätigungsvorrichtungdruckventile 210 zu steuern, und ein zweites Elektromagnetsteuersignale 308, um ein zweites der Betätigungsvorrichtungdruckventile 211 zu steuern.
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In einem Ausführungsbeispiel wird ein kontinuierlich variables Drehmomentaufteilungsgetriebe mit einem Variatorgetriebe mit Hydraulikpumpe/Hydraulikmotor, wie oben besprochen, durch das Verfahren 400 kalibriert, welches im Flussdiagramm der 4 beschrieben wird. Dieses Verfahren 400 entwickelt ein Betätigungsvorrichtungsdruck-Ausgangsdrehmoment-Kennfeld, beispielsweise das Kennfeld 303, welches oben besprochen wurde, um die Genauigkeit der Feed-Forward bzw. Vorsteuerung zu ermöglichen und zu verbessern. Insgesamt funktioniert das Verfahren 400, indem Variatortestdaten gewonnen werden und diese Daten mit Systemkonstruktionsinformationen kombiniert werden, um in Echtzeit eine beste Abschätzung der Effekte von Kräften abzuleiten, die auf die Betätigungsvorrichtung wirken, beispielsweise Federkraft, Trägheitskräfte und Kräfte auf Grund des Kreislaufdrucks. Diese Effekte, sobald sie quantifiziert bzw. bemessen und mit System-Konstruktionsinformationen kombiniert sind, werden dann eingesetzt, um eine geeignete Betätigungsvorrichtungssteuerdruckdifferenz für jedes möglicherweise wünschenswerte Ausgangsdrehmoment zu bestimmen.
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Wie genauer besprochen wird, werden die interessanten Krafteffekte aus einem Ablauf mit zwei Veränderungsdurchgängen bestimmt, um zwei Nenn-Charakterisierungslinien zu erzeugen. Diese Nenn-Charakterisierungslinien werden dann über Systemkonstruktionsinformationen skaliert, um das Kennfeld vollständig aufzufüllen. Die erste Veränderung ist eine nicht belastete Veränderung, wobei ein Ausgangsdrehmoment von Null aufgebracht wird, während die zweite Veränderung bzw. der zweite Veränderungsdurchgang eine mit Last ausgeführte Veränderung ist, wobei das Getriebe auf eine Drehzahl von Null verriegelt ist und die Variatorausgangsgröße auf eine gewisse Drehzahl ungleich Null verriegelt bzw. festgelegt ist (durch die mechanische Konfiguration festgelegt).
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Mit Bezug auf die speziellen Schritte des Verfahrens 400 in einem beispielhaften Ausführungsbeispiel wird das Getriebe beim Schritt 401 des Verfahrens 400 auf neutral geschaltet. Dies kann durch die Variatorsteuervorrichtung 301 oder durch eine getrennte Getriebesteuervorrichtung ausgeführt werden. In diesem Zustand kann das Variatormotordrehzahlverhältnis bzw. Variator-MSR ohne externe Belastung variiert werden. Wenn das Getriebe auf neutral steht, weist die Variatorsteuervorrichtung 301 im Schritt 402 eine Veränderung bzw. einen Veränderungsdurchgang des Hydraulikdrucks für die Variatorbetätigungsvorrichtung an, wobei der Hydraulikdruck zwischen vorbestimmten Grenzen variiert wird, beispielsweise zwischen maximalen und minimalen Versorgungsdrücken oder geringeren Drücken, falls erwünscht. Wenn der Druck für die Betätigungsvorrichtung verändert wird, wird das entsprechende Motordrehzahlverhältnis des Variators aufgezeichnet, wie in der Drehzahlveränderungszeile 501 der Drehmomenttabelle 500 gezeigt (5). Es wird klar sein, dass die Drehmomenttabelle 500 für die Zwecke der Klarheit und Veranschaulichung stark verkürzt worden ist, wie durch Wellenlinien in der Figur angedeutet. Auf jeden Fall ist die genaue Menge und Anordnung der Daten in irgendeiner Ausführung eine Frage der Systemfähigkeiten und der Präferenzen bei der Konstruktion und ist für den Betrieb der beschriebenen Prinzipien nicht kritisch bzw. wesentlich.
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Im Schritt 403 wird der mechanische Teil des Getriebes durch die Steuervorrichtung verriegelt, was das Variatorgetriebe auf einen Zustand mit konstantem Motordrehzahlverhältnis bzw. MSR bringt. In dem veranschaulichten Beispiel ist das Motordrehzahlverhältnis während dieses Durchgangs aufgrund des physischen Aufbaus in diesem Beispiel –1,2, jedoch können andere Getriebe in diesem Zustand andere Motordrehzahlverhältnisse aufweisen. Der genaue Wert des Motordrehzahlverhältnisses ist nicht wichtig, so lange er während der Veränderung bzw. des Veränderungsdurchgangs konstant gehalten wird, so dass das Ausgangsdrehmoment entwickelt werden kann. Im Schritt 404 werden die Betätigungsvorrichtungsdruckwerte wieder verändert, wobei das Getriebe verriegelt ist, und das daraus resultierende Variatorausgangsdrehmoment wird aufgenommen bzw. gemessen, wie in der Drehzahlveränderungsspalte 502 der Drehmomenttabelle 500 (5).
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An diesem Punkt können die resultierenden Daten skaliert werden, um den Rest der Drehmomenttabelle 500 anzufüllen. Da der angewendete Differenz- bzw. Deltadruck und die Betätigungsvorrichtungsfederkonstante bekannt sind, werden die kombinierten Federkräfte als eine einzige Federkraft behandelt, kann insbesondere die Federkraft von den Daten abgezogen werden, um das Ergebnis der Trägheitskräfte zu bekommen, beispielsweise aufgrund der Kolben, die auf die Taumelscheibe wirken. Wenn der Beitrag der Feder entfernt wird, sind die restlichen Trägheitseffekte einfach ein Satz von Kurven, die um entsprechende Skalierungskoeffizienten um den Ursprung gedreht sind.
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Die Trägheitseffektskalierungskoeffizienten werden im Schritt 405 berechnet durch (a) Addieren von linearen Regressionslinien zu jeder PSI/MSR-Kurve (Betätigungsvorrichtungsdeltadruck gegenüber dem Motordrehzahlverhältnis) und zwar für negative und positive Motordrehzahlverhältnisse, und (b) durch Normalisieren der Steigungen der Regressionslinien basierend auf einer gemeinsamen Eingangsdrehzahl. Die daraus resultierenden Neigungswerte sind Trägheitseffektskalierungskoeffizienten.
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Die Drehzahlskalierungskoeffizienten werden im Schritt 406 berechnet durch (a) Addieren der linearen Regressionslinien zu jeder Drehzahl-Kreislaufdruck-Kurve für negative und positive Kreislaufdrücke und (b) durch Normalisieren der Steigungen der Regressionslinien basierend auf einer gemeinsamen Eingangsdrehzahl. Die daraus resultierenden Neigungswerte sind die Drehzahlskalierungskoeffizienten.
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Im Schritt 407 wird der Kreislaufdruckeffekt auf Grund der Pumpenverdrängung berechnet durch lineare Regression von Daten für konstantes MSR bzw. Motordrehzahlverhältnis und durch Normalisierung der Steigung über dem Null-Drehzahlverschiebungspunkt, der für die Veränderung bzw. den Veränderungsdurchgang mit fester Drehzahl verwendet wird. Die daraus resultierenden Steigungen sind die MSR-Skalierungskoeffizienten.
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Wenn die vorangegangenen Koeffizienten berechnet sind, kann das Kennfeld 500 vollständig angefüllt werden. In einem Ausführungsbeispiel ist die Beziehung zwischen dem Kreislaufdruck und dem Betätigungsvorrichtungsdeltadruck Folgende: –(Trägheit dP + Schaltungsdruck dP) + Feder dP = Betätigungsvorrichtung dP Befehl. Bei dieser Beziehung bezieht sich die Abkürzung „dP” auf „Deltadruck”, Trägheit dP bezeichnet den Deltadruckbeitrag aufgrund der Trägheit des Variatorkolbens und irgendwelcher anderen inhärenten Trägheitskräfte, Kreislaufdruck dp bezeichnet den Deltadruckbeitrag aufgrund des Variatorkreislaufdrucks, und Feder dP bezeichnet den Deltadruckbeitrag aufgrund der Betätigungsvorrichtungsfeder.
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Für ein gegebenes erwünschtes Drehmoment kann somit entsprechend einem gegebenem erwünschten Kreislaufdruck der erforderliche Betätigungsvorrichtungsdeltadruckbefehl (dp-Befehl) aus der vorangegangenen Beziehung abgeleitet werden. In dieser Weise wird das Kennfeld 500 im Schritt 408 befüllt und das dar aus resultierende Kennfeld 500 wird in einem computerlesbaren Speicher gespeichert, der mit der Steuervorrichtung 301 assoziiert ist oder auf den diese zugreifen kann.
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Darauf folgend kann die Steuervorrichtung während des tatsächlichen Betriebs auf das Kennfeld 500 (303) zugreifen, um einen geeigneten Betätigungsvorrichtungsdruck abzuleiten, falls nötig. Während das oben beschriebene System eine genaue Feed-Forward- bzw. Vorsteuerung des Drehmomentes über den Betätigungsvorrichtungsdeltadruck bzw. Betätigungsvorrichtungs-dP gestattet, kann das Kennfeld 500 (303) auch mit einem gewissen Grad einer Rückkoppelung bzw. Regelung verwendet werden und/oder kann darauf folgend für eine genauere Kalibrierung modifiziert werden, wenn ein Fehler oder eine Ungenauigkeit während des Betriebs detektiert wird.
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In einem Ausführungsbeispiel kann der verriegelte Zustand für die zweite Veränderung bzw. den zweiten Veränderungsdurchgang erzeugt werden, indem absichtlich an einem Getriebesynchronpunkt eine Kupplungsbindung erzeugt wird. Anders gesagt, wenn in einem System mit zwei Kupplungen der Synchronpunkt erreicht ist, wird anstelle der Deaktivierung einer auslaufenden Kupplung und der Aktivierung einer anlaufenden Kupplung beide Kupplungen aktiviert. Es wird klar sein, dass solche Synchronpunkte bei einer Ausgangsdrehzahl von Null auftreten, genauso wie bei gewissen anderen Ausgangsdrehzahlen ungleich Null. Egal welcher Synchronpunkt ausgewählt wird, wird die Kupplungsbindung (clutch tie up) verhindern, dass sich die Ausgangsdrehzahl gegenüber der Ausgangsdrehzahl verändert, die mit diesem Synchronpunkt assoziiert ist. An diesem Punkt kann der Kreislaufdruck dann vergrößert und verringert werden, ohne eine Veränderung der Ausgangsdrehzahl zur Folge zu haben, was gestattet, dass der Kreislaufdruck aufgebaut wird.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Die beschriebenen Prinzipien sind auf Maschinen anwendbar, welche ein Getriebe benötigen, um eine Leistungsquelle mit einem letztendlich mit dem Boden in Eingriff stehenden Mechanismus zu verbinden, beispielsweise mit Rädern, Raupen usw. und/oder mit anderen angetriebenen Funktionen oder Werkzeugen. Beispiele von solchen Maschinen weisen Maschinen auf, die für den Bergbau, die Bauwirtschaft, Ackerbau, Transport oder irgendeinen anderen in der Technik bekannten Industriezweig verwendet werden. Beispielsweise kann die Maschine eine Erdbewegungsmaschine sein, wie beispielsweise ein Radlader, ein Bagger, ein Kipplastwagen, ein Baggerlader, ein Motorgrader, eine Materialhandhabungsmaschine oder Ähnliches. Beispielhafte Werkzeuge weisen ohne Einschränkung Folgende auf: Schaufeln, Verdichter bzw. Walzen, Gabelhubvorrichtungen, Besen, Greifvorrichtungen, Schneidvorrichtungen, Schervorrichtungen, Schilde, Brecher/Hämmer, Förderschnecken und andere.
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Bei einer solchen Anwendung sind die beschriebenen Prinzipien auf den Betrieb von hydrostatischen und kontinuierlich variablen hydraulischen Getrieben anwendbar, um eine genaue Drehmomentsteuerung unter Verwendung einer Feed-Forward- bzw. Vorsteuerungskonfiguration zu gestatten. Dies gestattet, dass der Betrieb der Maschine in effektiverer Weise gesteuert wird als bei einer einfachen traditionellen Drehzahlsteuerung oder bei anderen alternativen Steuerstrategien.
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Es wird klar sein, dass die vorangegangene Beschreibung nützliche Beispiele des offenbarten Systems und der offenbarten Technik bietet. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass andere Ausführungen der Offenbarung im Detail von den vorangegangenen Beispielen abweichen können. Jegliche Bezugnahme auf die Offenbarung oder Beispiele davon soll sich auf das spezielle an diesem Punkt besprochene Beispiel beziehen, und diese Bezugnahmen sind nicht dafür vorgesehen, irgendeine Einschränkung bezüglich des Umfangs der Offenbarung im Allgemeinen mit sich zu bringen. Jegliche Erwähnung einer Ablehnung oder geringeren Bevorzugung bezüglich gewisser Merkmale soll anzeigen, dass diese Merkmale weniger bevorzugt werden, soll jedoch solche Merkmale nicht vollständig vom Umfang der Offenbarung ausschließen, außer wenn dies in anderer Weise angezeigt wird.
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Die Erwähnung von Wertebereichen soll hier nur als ein abgekürztes Verfahren dazu dienen, einzeln jeden getrennten Wert zu nennen, der in den Bereich fällt, außer wenn dies in anderer Weise hier angezeigt wird, und jeder getrennte Wert wird in die Beschreibung miteingeschlossen, genauso wie wenn er einzeln hier genannt worden wäre. Alle hier beschriebenen Verfahren können in irgendeiner geeigneten Reihenfolge ausgeführt werden, außer wenn dies hier anders angezeigt wird oder klar durch den Kontext in Abrede gestellt wird. Beispielsweise können in den anschaulichen Kalibrierungsschritten gezeigten Veränderungen bzw. Veränderungsdurchläufe optional in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden, und andere alternative Reihenfolgen und Schritte sind praktisch ausführbar, wenn dies logisch geeignet erscheint, ohne von den beschriebenen Prinzipien abzuweichen.
